CC BY
154
УДК 621.313
СНИЖЕНИЕ ПУСКОВОГО ТОКА АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ИЗМЕНЕНИЕМ ПАРАМЕТРОВ СТАТОРНОЙ ОБМОТКИ
Ванурин Владимир Николаевич д.т.н., г.н.с
Пономаренко Константин Борисович инженер
Северо-Кавказский институт механизации и электрификации сельского хозяйства, Зерноград, Россия
Креймер Алексей Семенович к.т.н., доцент
ФГБОУВПО «Кубанский государственный аграрный университет»,Краснодар, Россия
Приведены схемы статорных обмоток с удвоенной шириной фазной зоны, позволяющие без разрыва цепи питания ограничить величину пускового тока асинхронных двигателей
Ключевые слова: АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ПУСКОВОЙ ТОК, ПУСКОВОЙ МОМЕНТ, СХЕМА СТАТОРНОЙ ОБМОТКИ, СХЕМА ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ
UDC 621.313
REDUCTION OF INRUSH CURRENT FOR INDUCTION MOTORS WITH CHANGING PARAMETERS OF A STATOR WINDING
Vanurin Vladimir Nikolayevich Dr.Sci.Tech., leading research associate
Ponomarenko Konstantin Borisovich engineer
North-Caucasian Institute of mechanization and electrification of agriculture, Zernograd, Russia
Kreimer Aleksey Semyonovich
Cand.Tech.Sci., associate professor
Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia
The schemes of the stator winding with double-wide-phase zone, allowing limiting the level of inrush current of induction motors without breaking the circuit power are presented in the article
Keywords: INDUCTION MOTOR, INRUSH CURRENT, STARTING MOMENT, STATOR WINDING SCHEME, SWITCHING SCHEME
Основу большинства электроприводов составляют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. В отраслях сельскохозяйственного производства их применяют на предприятиях, изготавливающих оборудование для переработки сельскохозяйственной продукции (сепараторы, дробилки корморезки, мясорубки и др.). Двигатели поставляются на комплектацию электроприводов зернопогрузчиков, транспортеров, конвейеров, подъемников, средств малой механизации, строительной техники, холодильных и вакуумных установок, другой стационарной техники.
Проблемой короткозамкнутых двигателей является их большой пусковой ток. Вопрос о том, допустим ли прямой пуск, определяется в основном величиной снижения напряжения в сети при пуске двигателя. Наиболее чувствительными к снижению напряжения являются осветительные лампы, а также электромагнитные пусковые аппараты (например, магнитные пускатели), которые при понижении напряжения могут отключиться и отсоединить двигатель от сети. При частых пусках термические перегруз-
ки от пускового тока влияют на ускорение процесса старения изоляции, что может служить причиной выхода двигателя из рабочего состояния.
Существуют различные способы снижения пускового тока, каждый из которых имеет свои особенности. Задача способов пуска заключается в том, чтобы согласовать пусковые характеристики двигателя с пусковыми характеристиками приводимой техники, при этом пусковой ток не должен превышать допустимых значений (в некоторых странах действуют нормы, исключающие прямой пуск трехфазных двигателей с током при заторможенном роторе более 60 А).
Если прямой пуск вызывает большое падение напряжения в сети, а также для исключения ударов в механических передачах при пуске, снижают подводимое к двигателю напряжение. С этой целью отдельные двигатели выпускают на напряжение 380(Д)/660^) В. При включении статорной обмотки в сеть по схеме звезды линейный пусковой ток уменьшаются практически в три раза, при этом в той же мере уменьшается и момент двигателя.
В период переключения двигатель быстро теряет частоту вращения, для восстановления которой требуется определённой величины ток. Таким образом, недостатком способа является разрыв цепи питания двигателя, что вызывает скачок тока при переключении. Способ практически не подходит для нагрузки с небольшой массой (для безинерционной нагрузки). Кроме того, способ применим только для двигателей, работающих в сети включением обмотки по схеме треугольника.
Для решения проблем пуска асинхронных двигателей разработаны бесконтактные пускатели на основе тиристорного (или транзисторного) коммутатора. Силовым элементом пускателя является ключ в каждой из трех фаз, представляющий собой два встречно параллельно включенных тиристора. Изменяя угол управления тиристоров, можно снижать подводимое к двигателю напряжение, ограничивая пусковой ток. После разбега питание двигателя осуществляется через аппарат, шунтирующий коммутатор. К недостатку способа относят добавление в сеть несинусоидальных
токов в период пуска двигателя. Бесконтактные пускатели являются также дорогими устройствами.
Согласно известному выражению, связывающему пусковой момент и пусковой ток трёхфазного двигателя
м = 3и2Я = 3^ 2
п щ( Я + хк2) ^ 1й,
на пусковой ток можно влиять изменением параметров двигателя, чему
способствует выполнение статорной обмотки с шириной фазной зоны 1200
с последующим преобразованием её в обмотку с шириной фазной зоны 600
[1-3], (рисунки 1).
При переключении обмотки диаметрального шага по схеме Д/YY имеют место соотношения витков, потоков и индукций в воздушном зазоре:
_ иДкобУУФУУ _ 380 • 0,956 • Фуу _ 2.
^УУ иУУКбДФД 220 • 0828 • Фд
Фд Фд _ 1;
ФУУ
ВЗД _ 1
ВЗУУ
Неизменным будет и линейный намагничивающий ток
_ У3иуукобуу _Уэ 1-0,956 _ 1 ^уу коб д 2 - 0,828 ’
Соотношение фазных намагничивающих токов, соотношение коэффициентов приведения ЭДС роторной обмотки и соотношение коэффициентов приведения сопротивлений роторной обмотки:
и х
Iтуу л/з
кед _ wдкобд _ 2 0,828 _ ^
кеУУ ^УУ кобУУ 0,956
кд _ <к16, _22 0,8282_ 3.
кУУ wУУ к2обУУ 0,9562
Соотношение приведённых токов роторной обмотки
1:2уу кеуу кд 3
Это же соотношение относится к активной составляющей и к индуктивной составляющей токов ротора.
Соотношение активных сопротивлений статорной обмотки (£ - сечение провода), а при тех же электрических потерях и соотношение номинальных токов статорной обмотки:
Ъд _ ^д . ^1уу _ 2 - 2 _ 4'
^1УУ W1УУ ^1Д
I
1нД
1нУУ
Для индуктивных сопротивлений статорных обмоток
.2 7.2 А 0^о2
X-
1Д
К К6Д
X
1УУ
22
^УУ КобУУ
_ 22 0,8282 _ 3
0,956
2
Соотношение пусковых токов и пусковых моментов двигателя:
__________Vзи
I г_ ~
і
' 1пД
1пУУ
43
43
_ л/(Л1Д + Л2Д )2 + (Х1Д + Х2Д )2
№.
1УУ + Л2УУ
)2 + (Х
1УУ + Х2УУ
)2
V
(Л1УУ + Л2УУ
)2 + (Х
1УУ + Х2УУ^
V
(Л1Д + Л2 Д ) + ( Х1Д + Х2 Д )
(Л1УУ + Л2УУ ) + (Х1УУ + Х2УУ )
(4 ^1уу + 3^2уу)2 + (Зх1уу + Зх2уу )2
(43и )2 Л
т(
2Д
М
пД
Щ 7(Л1Д + Л2Д )2 + (Х1Д + Х2Д )2
М
пУУ
2УУ
Щ
л/( Л1УУ
+ Л
2УУ) + (Х1УУ
+ Х2УУ)
_3
Л
2Д
(Л1УУ + Л2УУ
)2 + (Х
1УУ + Х2УУ ) _
_3
Л2УУ
3Л
(Л1Д + Л2Д ) + (Х1Д + Х2Д )2
2УУ
(Л1УУ + Л2УУ
)2 + (Х
1УУ + Х2УУ
Л
2УУ
(4 ^1уу + ЗЛ_2уу) + (3Х1УУ + Зх^уу )
1.
Снижению пускового тока способствует укорочение шага обмотки (рисунок 2). При соединении фаз в треугольник значительно возрастает составляющая индуктивного сопротивления обмотки от потоков дифференциального рассеяния (МДС содержит и чётные высшие гармоники).
2
1
2
2
би 41 6V 62 6\Л/
ІттаМЛАААААААААМЧЧЧЧЧЧЧЧФ
Рисунок 2 - Схема двухполюсной обмотки и её МДС при соединении фаз А При шаге у = 15 относительные амплитуды гармоник МДС при соединении фаз в треугольник (таблица 1)
Бту60°
Рут _ Ркобу _ 1 Ч БІП V5
БІпу60 . 0
біпу750
1 12біпу5(
• Бту75и
Р..
ук
об
у БІП 600
• біп750
у біп60(
■• біп750
Ч біп50 12біп50
Таблица 1 - Относительные амплитуды гармоник МДС, А
у 1 2 4 5 7 8 10 11 13
Рmv/ Рт 1 0,133 0,0571 0,011 0,0058 0,0152 0,006 0,01 0,008
Вид токов и моментов при пуске двигателя показан на рисунках 3 и
4.
Рисунок 3 - Вид токов и моментов от основной гармоники
Рисунок 4 - Вид относительных моментов от гармоник V = 4 и V = 2 Сведения о двигателе с четырёхполюсной обмоткой при той же степени укорочения шага на базе АИР160Б4 приведены на рисунках 5-7.
62 6у1
О VI
ьт
Рисунок 5 - Схема четырёхполюсной обмотки, у = 10
Рисунок 6 - Вид токов и моментов от основной гармоники http://ej.kubagro.ru/2013/03/pdf/64.pdf
E?E?E?E?B?E?H?E?E?E?E?E?E?E?B
s
Рисунок 7 - Вид относительных моментов от гармоник V = 8 и V = 4 Уменьшить влияние гармоник на пуск двухполюсного двигателя позволяет обмотка с чередованием катушек в группах 1 - 4 - 1 (рисунок 8).
03 О у1 01 О VI £>2 0\Л/1
Рисунок 8 - Схема двухполюсной обмотки, у = 15 Амплитуды гармоник в долях ступенек МДС (рисунок 9)
Рут _ 2 [РХcosvxdx _ —(siпv10o + біпгЗ0° + біпИО0 + siпv50o + біпг60° +
П * ПУ
_2_, •
+siпv70 + siпv80 + siпv90 + siпv100 + біпт110 + siпv120 + біпт!40 ).
Р
Рисунок 9 - Основная гармоника и первые высшие гармоники МДС, А
Относительные моменты от высших гармоник (рисунок 11):
Рисунок 11 - Вид относительных моментов от гармоник V = 2 и V = 4 Для этой же обмотки с шагом у = 14 соотношение пусковых токов:
71пД / 11пУУ = 0,56
Мд / Мпуу = 0,31.
Относительные моменты от высших гармоник (рисунок 12).
5
Рисунок 12 - Относительные моменты от гармоник V = 2 и V = 4 При диаметральном шаге статорной обмотки, когда проводники частей фазных обмоток укладываются в те же пазы статора, уменьшение пускового тока двигателя возможно и переключением частей обмотки с одинаковым или с разным сечением проводников по схеме У/УУ, рисунок 13.
6111
о VI
6W1 6^2
Рисунок 13 - Схема четырёхполюсной обмотки и схема соединения фаз У/УУ
Для двигателя на базе АИР132М4 и соотношением сечения проводов частей 1/2 соотношение пускового тока и пускового момента:
11пУ/ 11пУУ = 0,85
Мпу/ Мпуу = 0,72.
Проводники разного сечения способствуют дополнительному снижению пускового тока и при переключении обмотки по схеме Д/YY. На рисунке 14 сопротивления частей фазных обмоток двигателя 4А100Б4 с длиной статора I = 110 мм (20 витков в катушке, напряжение 220 В) составляют 1,33 Ом и 2,29 Ом.
У1 VI Ш
в
Рисунок 14 - Схемы соединений четырёхполюсной обмотки При напряжении 201 В пусковой ток составил:
50 А при соединении фаз А (рисунок 14а); 56 А при соединении фаз YY (рисунок 14б); 34 А при соединении фаз Y (рисунок 14в); 43 А при соединении фаз Y (рисунок 14г).
Выводы
1. Решению проблемы снижения пускового тока асинхронных двигателей способствуют переключения статорных обмоток Д/YY и Y/YY без разрыва цепи питания.
2. Снижение пускового тока по схеме переключения Д/YY эффективно для двигателей с двухслойными обмотками укороченного шага.
3. Снижение пускового тока по схеме переключения Y/YY эффективно для двигателей с двухслойными обмотками диаметрального шага.
4. При соединении фаз YY габарит двигателя используется полностью.
Литература
1. В.Н. Ванурин. Статорные обмотки с шириной фазной зоны 1200 асинхронных электрических машин / Ванурин В.Н., Богатырев Н.И. Джанибеков К.А-А., Пономаренко КБ. - Зерноград: СКНИИМЭСХ, 2012. - 84 с.
2. Богатырев Н.И., Ванурин В. Н., Креймер А. С., Екименко П.П. Асинхронные генераторы для систем автономного энергоснабжения. Часть 1. Обоснование параметров асинхронного генератора. Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2010. -№59(05). - 26 с.
3 Богатырев Н.И., Ванурин В. Н., Креймер А. С., Екименко П.П. Асинхронные генераторы для систем автономного энергоснабжения. Часть 2 Базовая теория формирования статорных обмоток асинхронных генераторов и методы расчёта обмоток. Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2010. - №60(06). - 31 с.
